量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和體會(huì)（二）
薛其坤
量子霍爾效應(yīng)實(shí)際上給處在微觀世界的電子訂了一個(gè)“交通規(guī)則”。
量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，為我們突破摩爾定律和集成電路的發(fā)展提供了一個(gè)全新的原理。這是物理學(xué)基本研究為未來(lái)工業(yè)界發(fā)展提供的嶄新道路。
整數(shù)、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)
1980年，德國(guó)科學(xué)家馮·克利青（K.vonKlitzing）在場(chǎng)效應(yīng)晶體管中研究霍爾效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常有趣的現(xiàn)象———整數(shù)量子霍爾效應(yīng)。從這個(gè)曲線(xiàn)中可以看到 （圖1），紅線(xiàn)的縱軸是霍爾電阻，橫軸就是外加的磁場(chǎng)。從0開(kāi)始慢慢增加磁場(chǎng)強(qiáng)度，在磁場(chǎng)很小時(shí)霍爾效應(yīng)是線(xiàn)性的，和磁場(chǎng)成正比，這個(gè)現(xiàn)象很正常。但是隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度不斷增高，就逐漸出現(xiàn)了新的特征———它不再是線(xiàn)性的，而是出現(xiàn)了一個(gè)平臺(tái)，比如說(shuō)在6個(gè)特斯拉到9個(gè)特斯拉之間，霍爾電阻一點(diǎn)都沒(méi)變，我們稱(chēng)之為 “量子平臺(tái)”。更奇怪的是，這個(gè)平臺(tái)對(duì)應(yīng)于霍爾電阻的大小非常特別，h（普朗克常數(shù)）/e(一個(gè)電子帶的電量)2對(duì)應(yīng)的是25800多一點(diǎn)歐姆。這個(gè)平臺(tái)出現(xiàn)的地方，是這樣一個(gè)常數(shù)除上一個(gè)正整數(shù)，非常奇怪。五年后的1985年，馮·克利青因?yàn)檫@個(gè)發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
圖1整數(shù)量子霍爾效應(yīng)。
整數(shù)量子霍爾效應(yīng)的奇怪之處在于它和一個(gè)常數(shù)有關(guān)，而與材料、形狀、尺寸、大小和制備方法沒(méi)有任何關(guān)系。不同材料的物理、化學(xué)性質(zhì)都不一樣，怎么會(huì)出現(xiàn)常數(shù)呢？這背后一定隱含著物理學(xué)的一些很大、很重要的基本規(guī)律。這就是為什么量子霍爾效應(yīng)變得這么重要。
圖2分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。
還有其他更奇怪的地方。隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，我們可以用砷化鎵或砷化鎵鋁代替硅，做成高速的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。1982年，美國(guó)物理學(xué)家崔琦和施特莫發(fā)現(xiàn)當(dāng)把一種半導(dǎo)體換成另一種半導(dǎo)體、在兩維的體系中做類(lèi)似測(cè)量時(shí)，不但在整數(shù)的地方，而且在1/3、2/3、2/5的地方也出現(xiàn)平臺(tái)。（圖2）這就是分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。這個(gè)效應(yīng)不久由另一位美國(guó)物理學(xué)家勞弗林給出了理論解釋?zhuān)麄內(nèi)朔窒砹?998年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
量子霍爾效應(yīng)的啟示和應(yīng)用
實(shí)際上，后來(lái)隨著物理學(xué)家對(duì)量子霍爾效應(yīng)進(jìn)行更深入的研究，我們認(rèn)識(shí)到剛才看到的這個(gè)平臺(tái)是微觀世界中電子運(yùn)動(dòng)的量子效應(yīng)非常生動(dòng)的、深刻的體現(xiàn)。就是說(shuō)從一個(gè)簡(jiǎn)單的宏觀測(cè)量我們可以理解看不見(jiàn)、摸不著的電子究竟是在干什么。量子霍爾效應(yīng)實(shí)際上給處在微觀世界的電子訂了一個(gè) “交通規(guī)則”：電子在這種強(qiáng)磁場(chǎng)中，只能沿著邊緣的一維通道中走。本來(lái)這是一個(gè)導(dǎo)體，加上一個(gè)很強(qiáng)的磁場(chǎng)后，這個(gè)材料的絕大部分變成絕緣的，電子只能在邊緣沿著一個(gè)個(gè)通道運(yùn)動(dòng)，而且只能做單向運(yùn)動(dòng)，不能返回。（圖3）這樣的發(fā)現(xiàn)使我們大大加深了對(duì)微觀世界的理解，這是物理學(xué)上一個(gè)非常大的進(jìn)步。
圖3量子霍爾效應(yīng)——電子運(yùn)動(dòng)的“交通規(guī)則”。
這個(gè)發(fā)現(xiàn)有什么用處呢？首先可以實(shí)現(xiàn)無(wú)耗散、低能耗、高速度的電子器件，并由此推動(dòng)信息和能源產(chǎn)業(yè)的巨大進(jìn)步。而且它對(duì)未來(lái)實(shí)現(xiàn)固體拓?fù)淞孔佑?jì)算和信息處理的革命也有直接的推動(dòng)意義，這里我們先不涉及。量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，為我們突破摩爾定律和集成電路的發(fā)展提供了一個(gè)全新的原理。這是物理學(xué)基本研究為未來(lái)工業(yè)界發(fā)展提供的嶄新道路。（圖4）但是正如剛才我們講到的，要加幾個(gè)特斯拉才能實(shí)現(xiàn)這種量子霍爾態(tài)，這就需要加一個(gè)非常大的磁場(chǎng)。加9、10個(gè)特斯拉的話(huà)是十萬(wàn)高斯，而我們的地球產(chǎn)生的地磁場(chǎng)只有0.5高斯。所以我們要想建造電子的 “高速公路”，讓電子有規(guī)則地運(yùn)動(dòng)，我們施加的磁場(chǎng)需要是地磁場(chǎng)的20萬(wàn)倍。要形成這么大的磁場(chǎng)，所需要的磁鐵不僅造價(jià)高，而且“個(gè)頭大”，很不實(shí)用。（圖5）盡管量子霍爾效應(yīng)在產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用面臨很大困難，但它在物理學(xué)上還是非常重要的。除了大大加深了我們對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)，它在計(jì)量學(xué)中也有很重要的應(yīng)用。從1999年起，量子霍爾電阻被認(rèn)定為計(jì)量學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)電阻。量子霍爾效應(yīng)被認(rèn)為是測(cè)量精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的獨(dú)立手段，對(duì)量子電動(dòng)力學(xué)具有重要意義。
圖4量子霍爾效應(yīng)的應(yīng)用。
圖5影響應(yīng)用的一個(gè)問(wèn)題：強(qiáng)磁場(chǎng)。
回到最初，1880年霍爾發(fā)現(xiàn)的反常霍爾效應(yīng)是不需要磁場(chǎng)的。沿著這樣一個(gè)思路我們會(huì)想到，有沒(méi)有不需要磁場(chǎng)的量子化霍爾效應(yīng)呢？如果我們的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了量子化反常霍爾效應(yīng)，不僅在科學(xué)上有重要意義，可以弄清爭(zhēng)論了100多年的反常霍爾效應(yīng)的機(jī)制，而且在應(yīng)用上也有很大的價(jià)值。此外，這是一個(gè)精密的物理實(shí)驗(yàn)，有很大的挑戰(zhàn)性，如果能夠成功實(shí)現(xiàn)，說(shuō)明我們的物理實(shí)驗(yàn)水平已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)?shù)母叨龋瑫r(shí)在這個(gè)過(guò)程中還能培養(yǎng)很多優(yōu)秀的年輕物理學(xué)家。我們清華大學(xué)的辦學(xué)理念是“頂天、立地、樹(shù)人”，我們的實(shí)驗(yàn)就是實(shí)現(xiàn)這一辦學(xué)理念非常好的平臺(tái)。（未完待續(xù)。本文根據(jù)薛其坤院士2013年4月27日做客清華論壇所作報(bào)告編輯整理。編輯整理/程曦 張碩 向小雨 賈霄宇 馬逸昕 韓靖北 周詩(shī)宇）
來(lái)源：新清華 2013-08-30
